Principais mecanismos de interferência elétrica e técnicas de proteção
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Principais mecanismos de interferência elétrica e técnicas de proteção
- 2. Situação típica circuito: sinais de baixo nível ruído irradiado carga controle ruído conduzido Fonte de ruído Carlos Reis Canal de acoplamento FEEC-Unicamp Receptor 2
- 3. Identificando os elementos envolvidos Fonte de ruído Canal de acoplamento Arco voltáico que ocorre nas encovas do motor Condução nos fios que alimentam o motor e irradiação a partir desta fiação. Carlos Reis FEEC-Unicamp Receptor Circuito processando sinais de baixo nível 3
- 4. Fundamentos campo elétrico 2 1 V Z 1 V C 2 Z circuito equivalente Carlos Reis FEEC-Unicamp 4
- 6. Principais mecanismos de interferência Fonte de ruído Receptor • Acoplamento capacitivo • Acoplamento indutivo • Condução através de impedância comum (Aterramento) Carlos Reis FEEC-Unicamp 6
- 8. ε0Φ E = q ε0 ∫ E ⋅ ds = q Carlos Reis “ O fluxo do campo elétrico através de uma superfície fechada é determinado pela carga que a superfície encerra” Carl Friedrich Gauss FEEC-Unicamp 8
- 9. Acoplamento capacitivo Um condutor passa próximo a uma fonte de ruído, capta este ruído e o transporta para outra parte do circuito. Um caso muito comum é o descuido com a fiação da fonte de alimentação. Carlos Reis FEEC-Unicamp 9
- 10. Quando a impedância equivalente na entrada do receptor é predominantemente resistiva, a amplitude da tensão de ruído captada através de acoplamento capacitivo é proporcional à freqüência do ruído, à amplitude do ruído, à resistência equivalente no entrada do receptor e à capacitância equivalente de acoplamento. Vc = ( jωRC ) V Será o caso deste circuito se: V Carlos Reis C ( R3 // R4 ) FEEC-Unicamp 1 jω ( C + Cin ) 10
- 11. Quando a impedância equivalente na entrada do receptor é predominantemente capacitiva, a amplitude da tensão de ruído captada através de acoplamento capacitivo é independente da freqüência do ruído e tem amplitude maior do que no caso anterior. ⎛ C ⎞ Vc = ⎜ ⎟V ⎝ C + Cin ⎠ Será o caso deste circuito se: V Carlos Reis C ( R3 // R4 ) FEEC-Unicamp 1 jω ( C + Cin ) 11
- 12. No caso em que a distância entre os condutores é maior que 3 vezes o diâmetro ( D>3d ): d D Carlos Reis πε C= [F / m] ⎛ 2D ⎞ ln ⎜ ⎟ d ⎠ ⎝ ε = 8,85 × 10−12 [F / m] FEEC-Unicamp 0 dB corresponde à atenuação no caso em que D=3d. 12
- 13. Medida da capacitância entre dois fios enrolados: Neste caso, como D<3d: C = d=0,25mm (AWG 30) L=7cm D/d ≅ 1,5 πε [F / m] ⎛D⎞ cosh −1 ⎜ ⎟ ⎝d⎠ Resultados: Medida: C=70 pF/m Cálculo: C=28pF/m !? Discrepância ? • Imprecisão em d e D • ε ≠ εo Carlos Reis FEEC-Unicamp 13
- 14. A interferência causada por acoplamento capacitivo pode ser facilmente observada Ponta do scope: 10MΩ // 8pF Onda quadrada 5Vpp, 180Hz Carlos Reis FEEC-Unicamp 14
- 15. Sinal analógico Barramento rápido de dados Conversor A/D Barramento rápido de dados Buffer / Latch A tecnologia contemporânea não tem solução (implementável no chip) para problemas como este: Sinal analógico Um atenuante ao problema Conversor A/D Carlos Reis FEEC-Unicamp 15
- 16. Tem cura doutor ? Carlos Reis FEEC-Unicamp 16
- 17. Cuidados no layout Identificar pontos e linhas de baixa impedância onde podem existir sinais de alta freqüência e afastar estes pontos e linhas de pontos de alta impedância cujos sinais tenham amplitudes da mesma ordem de grandeza que os sinais captados. Plano de terra CI Plano de terra Acrescentar caminhos de baixa impedância em alta freqüência nas trilhas das fontes de alimentação e de outras trilhas que tenham potenciais fixos, como é o caso de fontes de referência de tensâo. CI Capacitores eletrolíticos e de filmes plásticos têm uma indutância própria razoavelmente alta. Portanto, devem ser evitados num desacoplamento de alta freqüência, embora sejam adequados para baixas freqüências. São melhores para esta finalidade os capacitores cerâmicos monolíticos. Uma solução adequada é associar um capacitor de Tântalo em paralelo com um cerâmico monolítico. Carlos Reis FEEC-Unicamp 17
- 18. Blindagem (shield) Vy=0 Qx Qy=0 Vx Qx não pode criar cargas no interior de uma superfície fechada metálica Carlos Reis FEEC-Unicamp 18
- 19. Blindagem (shield) Crb Vr Cbz vr Z ir Iz=0 Admitindo que a blindagem tem impedância nula, a corrente na carga Z é nula. Carlos Reis FEEC-Unicamp 19
- 20. Blindagem (shield) Quando o receptor está isolado do terra (impedância infinita) e a blindagem está aterrada, a isolação do receptor é perfeita. receptor Vx Como não flui corrente no receptor, seu potencial é o mesmo que o da blindagem (zero). Vx = 0 Vr Carlos Reis FEEC-Unicamp 20
- 21. Blindagem (shield) Quando parte do receptor está fora da blindagem e a blindagem está aterrada, a isolação do receptor é apenas parcial. receptor Vx Csr Vx = Vr Csr + Csb + Cso Vr Carlos Reis FEEC-Unicamp 21
- 22. Blindagem (shield) Quando a blindagem não está aterrada, seu efeito é praticamente desprezível. receptor Vx Csb.Crb Vx = Vr Csb.Crb + Cso ( Csb + Crb ) Vr Carlos Reis FEEC-Unicamp 22
- 23. Blindagem (shield) A blidagem deve ser conectada ao potencial de referência do sinal que está protegendo. Vr Z Multiplos segmentos da malha de blindagem, protegendo um mesmo receptor devem ser conectados ao mesmo potencial. Z Vr Carlos Reis FEEC-Unicamp 23
- 24. Blindagem (shield) PROCESSAMENTO MEDIDAS A blidagem deve ser conectada ao potencial de referência do sinal que está protegendo. V1 V2 Vterra V3 Carlos Reis FEEC-Unicamp 24
- 25. Blindagem (shield) Conectar a blindagem em pontos distintos do “terra” é uma operação arriscada. Entretanto, há situações em que pode ser feito (será visto adiante). it Vs Vt Terra 1 Carlos Reis Terra 2 FEEC-Unicamp 25
- 26. Blindagem (shield) A blindagem não deve ser conectada a outro potencial que não seja o terra do sinal que protege. Vs Z Vr O sinal Vx é afetado por Vr através do divisor de impedâncias C-Z. Carlos Reis FEEC-Unicamp 26
- 27. Blindagem (shield) Amplificação de um sinal de baixo nível produzido por uma fonte aterrada. Corrente de ruído contamina o sinal ATERRAMENTO: RUIM Carlos Reis FEEC-Unicamp 27
- 28. Blindagem (shield) Amplificação de um sinal de baixo nível produzido por uma fonte aterrada. As fontes de ruído Vcm e Vt produzem uma componente resultante de ruído no sinal ATERRAMENTO: RUIM Carlos Reis FEEC-Unicamp 28
- 29. Blindagem (shield) Amplificação de um sinal de baixo nível produzido por uma fonte aterrada. A fonte de ruído Vcm contamina V2 e V1 de forma assimétrica. ATERRAMENTO: RUIM Carlos Reis FEEC-Unicamp 29
- 30. Blindagem (shield) Amplificação de um sinal de baixo nível produzido por uma fonte aterrada. A fonte de ruído Vcm afeta V1 e V2 praticamente da mesma maneira. ATERRAMENTO: BOM Carlos Reis FEEC-Unicamp 30
- 31. Blindagem (shield) Amplificação de um sinal de baixo nível com o amplificador aterrado. As fontes de ruído Vt e Vcm afetam V1 e V2 de maneira distinta. ATERRAMENTO: RUIM Carlos Reis FEEC-Unicamp 31
- 32. Blindagem (shield) Amplificação de um sinal de baixo nível com o amplificador aterrado. As fontes de ruído Vt e Vcm afetam V1 e V2 de maneira distinta. ATERRAMENTO: RUIM Carlos Reis FEEC-Unicamp 32
- 33. Blindagem (shield) Amplificação de um sinal de baixo nível com o amplificador aterrado. A fonte de ruído Vcm afeta V1 e V2 praticamente da mesma maneira. ATERRAMENTO: BOM Carlos Reis FEEC-Unicamp 33
- 34. Blindagem (shield) Amplificação de um sinal de baixo nível com o amplificador aterrado. As fontes de ruído Vt e Vcm afetam V1 e V2 de maneira distinta. ATERRAMENTO: RUIM Carlos Reis FEEC-Unicamp 34
- 35. Blindagem (shield) Configurações adequadas para o aterramento da blindagem. Carlos Reis FEEC-Unicamp 35
- 36. Blindagem (shield) Algumas conclusões A blindagem de cabos é usada para eliminar interferências por acoplamento capacitivo devidas a campos elétricos. A blindagem só é eficiente quando estabelece um caminho de baixa impedância para o terra. Uma blindagem flutuante não protege contra inteferências. A malha de blindagem deve ser conectada ao potencial de referência (terra) do circuito que está sendo blindado. Aterrar a blindagem em mais de um ponto pode ser problemático. Carlos Reis FEEC-Unicamp 36
- 38. dΦ B ε=− dt “ Quando se faz o contato, aparece um rápido e muito pequeno efeito no galvanômetro; surge, também, ação semelhante quando é desligada a bateria. Enquanto, porém, a bobina é percorrida por uma corrente constante, não se percebe nenhum desvio do ponteiro do galvanômetro, ligado à outra bobina, embora a potência ativa da bateria seja muito grande...” Michael Faraday Carlos Reis FEEC-Unicamp 38
- 39. A corrente que circula num circuito fechado induz uma fem num outro circuito fechado próximo. A amplitude desta fem é proporcional à taxa de variação da corrente no circuito indutor. dir Vx = M dt M Carlos Reis FEEC-Unicamp : indutância mútua 39
- 40. Indutância mútua de duas espiras As espiras estão dispostas paralelamente a uma distância d[cm] uma da outra e têm áreas A1[cm2]. e A2 [cm2]. Quando a distância entre as espiras é grande, ou seja: d > Ai Então: M≅2 A1.A2 d 3 [nH] Se a corrente aplicada é senoidal: i ( t ) = Io.sen ( ωt ) A fem induzida será: v ( t ) = M.Io.ω.cos ( ωt ) Carlos Reis FEEC-Unicamp 40
- 41. 5000 vezes Resultados: 2 cm 100 Medida: v=103mVrms Cálculo: v=140mVrms 50cm 8A I(t) 5KHz Carlos Reis FEEC-Unicamp 41
- 42. Indutância mútua de dois fios paralelos L Considerando que a espessura dos fios é desprezível e que L>>D: M D µo.L ⎛ 2L ⎞ − 1⎟ henrys ⎜ ln 2π ⎝ D ⎠ Para comprimentos de 10 a 20cm a ordem de grandeza de M é 10-11 H. Isto é pouco significativo comparando-se outros efeitos. Muito mais significativa é a indutância própria das trilhas de PCB e de condutores num circuito. As indutâncias de trilhas finas em PCB com comprimentos entre 10 a 20cm são da ordem de 10-7 H........ Isto causa problemas. Carlos Reis FEEC-Unicamp 42
- 43. Indutância de um fio e de uma trilha condutora λ 2r ⎡ ⎛ 2λ ⎞ ⎤ Lfio = 2.10−4.λ ⎢ln ⎜ ⎟ − 0, 75⎥ µH ⎣ ⎝ r ⎠ ⎦ Um fio de 0,5mm de diâmetro medindo λ=1cm tem L=7,3nH w λ ⎡ ⎛ 2λ ⎞ ⎤ ⎛w+h⎞ + 2235.10−4 ⎜ + 0,5⎥ µH L trilha = 2.10−4.λ ⎢ln ⎜ ⎟ ⎟ ⎝ λ ⎠ ⎣ ⎝w+h⎠ ⎦ h Uma trilha medindo λ=1cm e 0,25mm de largura tem L=9,6nH Carlos Reis FEEC-Unicamp 43
- 44. Acoplamento indutivo O chaveamento de corrente em circuitos de potência normalmente induz fem em circuitos próximos que formam loops. Em circuitos digitais, transições muito rápidas nas saídas de portas lógicas provocam picos de corrente de amplitudes expressivas que circulam pela fiação de alimentação (Vdd). Isto, por sua vez, induz ruído em circuitos próximos que contêm loops. Carlos Reis FEEC-Unicamp 44 ...Problema...
- 45. Tem cura doutor ? Carlos Reis FEEC-Unicamp 45
- 46. Preliminares Consideremos uma blindagem (por exemplo um cabo coaxial) Que fem a blindagem induz no condutor central ? [ 3 – 10 kHz ] condutor central blindagem A partir de ωs o sinal da blidagem é totalmente induzido no centro tensão induzida na blindagem por um circuito externo Carlos Reis FEEC-Unicamp 46
- 47. Preliminares Ainda considerando um cabo coaxial A blindagem impede que um sinal no condutor central interfira em circuitos próximos ? Neste caso o condutor central é a fonte de ruído SIM, desde que a corrente retorne pela malha da blindagem. Carlos Reis FEEC-Unicamp 47
- 48. Preliminares Sobre blindagem Para proteger o receptor contra campos magnéticos deve-se diminuir a área do loop do receptor ! A área do loop é delimitada pelo “caminho percorrido” pela corrente no receptor Cobre, Prata, Alumínio, Latão, tecidos biológicos, etc... Se um material não-magnético que envolve um condutor faz com que a corrente deste condutor retorne por um outro caminho de tal modo que a área definida pelo trajeto desta corrente é menor do que quando o condutor não é envolvido, então esta proteção tem alguma eficiência. Carlos Reis FEEC-Unicamp 48
- 49. The good, the bad and the ugly Sem blindagem Aterramento nos extremos Aterramento num só lado A corrente retorna pela blindagem se ωs > 5 (Rs/Ls) Carlos Reis FEEC-Unicamp 49
- 50. A blindagem contra campos magnéticos não é tão eficiente quanto é a blindagem contra campos elétricos. Pode, entretanto, ser feita no caso de alta freqüência, usando-se um material condutor não magnético. Para baixa freqüência deve ser usado um material de alta permeabilidade magnética (p.e. Aço, Mu-metal , etc...) B Vr Zcarga Ir Mu-metal é uma liga com 80% Ni, 4% Mo, 16% Fe. É fortemente ferromagnético. Sua função é reter o campo magnético no seu interior, portanto, impedindo que afete o receptor! Carlos Reis FEEC-Unicamp 50
- 51. Penetração do campo magnético em alguns materiais usados em blindagens. Freqüência [Hz] Alumínio [mm] Aço [mm] 60 8,5 10,9 0,86 100 6,6 8,5 0,66 1K 2,1 2,7 0,2 10K 0,66 0,84 0,08 100K 0,2 0,3 0,02 1M Carlos Reis Cobre [mm] 0,08 0,08 0,008 FEEC-Unicamp 51
- 52. Atenuação do campo magnético em alguns materiais usados em blindagens. Carlos Reis FEEC-Unicamp 52
- 53. Atenuação do campo magnético em alguns materiais usados em blindagens. Carlos Reis FEEC-Unicamp 53
- 54. Indutância de fiação em cabos sinal-1 sinal-2 Flat cable com um único retorno tem alta indutância mútua entre fios sinal-3 sinal-4 retorno sinal-1 Pares alternados de sinal e retorno. Indutância mútua reduzida. retorno-1 sinal-2 retorno-2 sinal e retorno-1 sinal e retorno-2 sinal e retorno-3 Pares de fios enrolados. Indutâncias mútuas ainda mais reduzidas. sinal e retorno-4 Carlos Reis FEEC-Unicamp 54
- 55. • Carlos Reis Condução através de impedância comum (Aterramento) FEEC-Unicamp 55
- 56. Leis de Kirchoff i Fonte de sinal Circuito i retorno da corrente p/ terra Carlos Reis FEEC-Unicamp 56
- 57. Terra ideal i Fonte de sinal Circuito Condutividade infinita Diferença de potencial nula Carlos Reis FEEC-Unicamp 57
- 58. Um terra mais realista i Fonte de sinal Z Circuito ir Condutividade finita Diferença de potencial: irZ Carlos Reis FEEC-Unicamp 58
- 59. Um simples experimento Ganho=360 DIGITAL Resultado: 7cm Carlos Reis FEEC-Unicamp 59
- 60. Curiosidade Resistência de trilhas de cobre em placas de circuito impresso 1mm re cob B PC - R≅ 530 mΩ/m 0,035mm Área: 0,035mm2 Uma trilha de 10cm de comprimento tem R≅ 53 mΩ ... !!! Carlos Reis FEEC-Unicamp 60
- 61. Tem cura doutor ? Carlos Reis FEEC-Unicamp 61
- 62. Esta estrutura de amplificador diferencial faz com que o sinal de saída, referido ao potencial B, seja independente do ruído produzido na trilha por onde a corrente de saída retorna! Carlos Reis FEEC-Unicamp 62
- 63. O famoso LOOP DE TERRA ! A diferença de potencial entre os dois “terras” faz com que circule corrente de ruido neste loop, introduzindo erro no sinal que é visto pelo amplificador. Este loop deve ser evitado. Carlos Reis FEEC-Unicamp 63
- 64. Um aterramento bastante comum e inadequado ! Circuito a Circuito b R1 Ia+Ib+Ic Carlos Reis R2 Ib+Ic FEEC-Unicamp Circuito c R3 Ic 64
- 65. Um aterramento adequado. As correntes de segmentos distintos do circuito são conduzidas ao mesmo ponto comum. Circuito a Circuito b Circuito c R1 R2 Ia R3 Ib Ic Carlos Reis FEEC-Unicamp 65
- 66. Aterramento multiponto: É uma boa alternativa para circuitos que operam em alta freqüência ( f> 10MHz ). Circuito a R1 R2 R3 L1 Carlos Reis Circuito b L2 L3 FEEC-Unicamp Circuito c 66